河南农村建筑能效提升改造*

杨 涛 李 杰 刘群生 杜金宇 杜娟丽 耿李姗 于素蕴 黄 冰

(1.河南牧业经济学院,郑州;2.河南省建筑科学研究院有限公司,郑州)

0 引言

《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》中提到鼓励加强建筑节能改造,形成建筑使用功能提升改造统筹推进的节能、低碳、宜居综合改造模式[1]。各地区针对既有建筑围护结构进行了节能改造研究[2-4]。目前北方地区清洁供暖工作持续进行,对既有农村建筑进行节能改造,提升农村建筑的能效水平,对降低供暖系统运行成本,从根本上解决供暖能耗高、冬季舒适性差,降低“返煤”风险,形成可持续发展清洁取暖工作的长效机制具有重要意义,为此应优先实现建筑围护结构本体节能效率最大化,再调整清洁用能方式,实现降低能耗的目的[5-6]。

为掌握河南省农村建筑的节能改造潜力,本文对其农村建筑围护结构热工性能现状进行了问卷调研,利用PKPM软件对建筑进行全年供热、供冷能耗模拟,就农村建筑热工性能的优化进行了节能潜力与经济性分析,以期为农村新建居住建筑的设计提供理论指导,使农村建筑既能满足经济可行性要求,又能达到节能的目的。

1 调研概况

调研统计发现河南省农村大部分建筑建于2000年以后,占总建筑的41.5%;其次是1991—2000年的建筑,约占35.0%。为了相对全面地获取河南省农村居住建筑的基本信息与特征,以当地既有农村典型建筑作为调研对象,选取河南省9个城市的13个县城(区)19个村镇,走访居民108户,对农村建筑的基本特征,包括外墙、屋面、窗户等情况进行了调研,查询相关资料,建立了典型农村建筑模型,分析各围护结构耗能占比及其节能潜力。

1.1 既有农村建筑围护结构类型

根据河南省既有农村建筑调研结果发现,建筑通常坐北朝南,1层建筑占到40%左右,2层建筑占到50%左右,其余为少量的3层建筑及窑洞。

1) 墙体。

经调查,这些村镇建筑中外墙主要材料为黏土实心砖,厚度为240 mm,占调查总数的96.3%,且正在建造的房屋中,基本仍使用的是黏土实心砖。外饰面为水泥砂浆、灰浆刷白、水刷石。有条件的农宅会加上外饰瓷砖,无外保温。墙体类型及其占比见表1。目前农村建筑主要为砖木和砖混结构,同时还有少量的土房和钢筋混凝土建筑,这些传统的农村建筑传热系数大,能耗都比较高,而且居住环境和舒适度都比较差。原因在于大多数既有建筑没有任何节能措施,不仅保温隔热性能差,而且设备使用效率低,从而导致供暖和供冷能耗很大。

表1 墙体类型及其占比 %

2) 门窗。

调查发现,这些村镇建筑外窗主要以单层木窗为主,开启方式为平开,占调查总数的48%;其次,随着人们经济水平的提高,单玻铝合金窗和单玻塑钢窗比例也相对较高,分别为21%和24%;而双层木窗、双层铝窗、木框+窗纸类型的占比很小,窗墙面积比也较小,南向窗墙面积比一般在0.2～0.3左右,北向窗墙面积比一般小于0.1,东、西向一般不设置门窗,密封性差;而现在城市节能建筑中推行的双层塑钢窗,在这些农村建筑中还未发现使用,其主要原因是由于农民基本不了解建筑节能,主动节能的意识还比较差,另外经济水平的制约也是一个主要因素。

建筑外门的类型主要以单层木门为主,开启方式为平开,这些村镇建筑门的材料主要为木质、钢质,较新的建筑使用的材料为铝合金及塑钢,门的透明部分为玻璃,很多采用实心门。单层木门占64.83%,双层木门占7.38%,是因为20世纪90年代以前的农村住宅门的材料绝大多数为木质;经济条件好的新建农宅逐渐开始使用塑钢门和金属门,甚至是防盗门。外门类型及其占比见表2。

表2 外门类型及其占比 %

3) 屋面。

调查显示,河南省既有村镇建筑屋面形式主要为平屋面,占调查总数的86%;其他为坡屋面,主要是20世纪90年代以前的瓦房,占比14%。另外,现浇混凝土屋面占45.3%,预制混凝土屋面占36.8%,这与2000年以前推广的预制板使用政策有关。农村的瓦房主要以坡屋面为主,屋面材料多为木材+秸秆+黏土+瓦。与墙体相比,屋面还进行了一定的保温处理,如坡屋面铺设1层炉渣层作为保温层,或部分平屋面采用自己搭设简易彩钢板或砖砌坡屋面作为隔热保温设施,但由于材料和构造方法比较简单,所以实际的保温效果并不理想。

1.2 典型既有农村建筑模型建立及各围护结构影响分析

根据既有农村建筑层数及屋面等结构类型的调研结果,建筑大多为1、2层结构,平屋面较多,坡屋面次之,因此选取1层坡屋面、1层平屋面、2层平屋面3类典型户型进行对比分析。以郑州市某村镇南向建筑为例进行分析,郑州市属于寒冷地区,计算用供暖室外平均温度为1.4 ℃,室外温度下的空气密度为1.29 kg/m3,室内供暖温度、相对湿度按16 ℃、40%选取,通风换气次数取0.5 h-1。

1) 1层坡屋面户型模型参数:层高3.20 m、长15.00 m、宽7.04 m,南向1个1.2 m×2.4 m的双开门、2个0.9 m×2.4 m的单开门,南向2个1.5 m×1.6 m的外窗、2个1.3 m×1.6 m的外窗。墙体为240 mm厚的黏土砖砌体结构、1层坡屋面(屋檐至屋脊高度为1.8 m)、铝合金单玻外窗、双层金属户门。其户型平面和立体模型见图1,各围护结构的热负荷及占比见表3。

图1 1层坡屋面户型平面和立体模型

表3 1层坡屋面户型各围护结构热负荷及占比

由表3可知:该模型通过屋面的热负荷占比最大,为50%;外墙次之,为37%;外窗为7%;地面最小,为6%。同时,外门窗和屋面的单位面积热负荷较大,外门窗次之。因此,综合考虑围护结构面积、热工性能,其屋面和外墙的改造对整个建筑的能效提升影响较大。

2) 1层平屋面户型模型参数:层高3.6 m,240 mm厚的黏土砖砌体结构,塑钢单玻外窗,木框单层实体户门。其户型平面和立体模型见图2,各围护结构热负荷及占比见表4。

图2 1层平屋面户型平面和立体模型

表4 1层平屋面户型各围护结构热负荷及占比

由表4可知:该模型通过屋面的热负荷占比最大,为52%;外墙次之,为37%;外窗为6%;地面最小,为5%。该类型建筑各围护结构的传热特性与1层坡屋面建筑的相似。因此,综合考虑1层平屋面建筑围护结构面积、热工性能,其屋面和外墙改造对整个建筑的能效提升影响较大。

3)2层平屋面户型模型参数:建筑高度7.2 m,240 mm黏土砖砌体结构,塑钢单玻外窗,木框单层实体户门。其户型平面和立体模型见图3,各围护结构热负荷及占比见表5。

图3 2层平屋面户型平面和立体模型

表5 2层平屋面户型各围护结构热负荷及占比

由表5可知:该模型通过外墙的热负荷占比最大,为48%;屋面次之,为41%;外窗为7%;地面最小,为4%。各部位单位面积热负荷屋面和外门窗均高于外墙,地面最小。综合考虑,2层建筑屋面和外墙改造对整个建筑的能效提升影响较大,若窗墙面积比较大,需结合外窗的改造提升建筑能效。

根据以上计算对比可知,各典型农村建筑围护结构热负荷占比中,屋面和外墙热负荷占比较大,外门窗次之,地面最小。建筑能耗不仅与建筑围护结构面积有关,也与其热工性能有关,可依据屋面、外墙、外门窗的优先顺序确定既有农村建筑能效提升路线。

2 改造研究分析

根据调研结果,农村建筑大部分并不满足GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》[8],在3种典型农村建筑原有基础上,对屋面、外墙、外窗主要围护结构中的1项或多项进行保温改造,利用PKPM软件计算得出各方案的建筑能效提升率。值得注意的是,根据现场调研实际情况,原有屋面大部分无防水、保温措施,部分住户屋面渗漏。因此,若选择对屋面进行节能改造,在改造前,应由住户作好防水处理,即先解决好渗漏问题。

2.1 节能性分析

针对以上3种典型建筑的单位面积热负荷情况,提出7种改造方案(见表6),计算对比不同改造方案的能效提升率。

表6 既有农村建筑改造方案

1) 1层坡屋面农村建筑:按照传统1层坡屋面既有农村建筑建立模型,改造前各部位构造见表3。改造前屋面、外墙、外窗传热系数分别为3.68、2.20、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM软件计算得出改造前建筑综合热负荷指标为113.06 W/m2。其改造后的节能效果见表7。

表7 1层坡屋面既有农村建筑改造后节能效果

2) 1层平屋面农村建筑:按照新农村建筑特点建立模型,1栋120 m2的1层建筑,改造前各部位构造见表4。改造前屋面、外墙、外窗传热系数分别为3.68、2.18、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM软件计算得出改造前建筑综合热负荷指标为107.04 W/m2。其改造后的节能效果见表8。

表8 1层平屋面既有农村建筑改造后的节能效果

3) 2层平屋面农村建筑:按照新农村建筑特点建立模型,总建筑面积为210 m2的独栋2层建筑,其改造前各部位构造见表5。改造前屋面、外墙、外窗传热系数分别为3.68、2.18、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM软件计算得出改造前建筑综合热负荷指标为74.60 W/m2。其改造后的节能效果见表9。

表9 2层平屋面既有农村建筑改造后的节能效果

2.2 经济性分析

根据表7～9中的各种改造方案的能效提升情况,针对3种典型既有农村建筑的节能改造,对实际施工的改造方案进行经济性对比,如表10所示。

表10 改造方案经济性对比 元/m2

通过改造发现,在围护结构的基础上外加一定厚度的保温层和保护层,对建筑能效提升具有很好的效果,但其提升比例和投资不同。根据既有农村建筑的特点制定了能效提升技术方案(见表11),可用于建筑改造。

表11 既有农村建筑能效提升技术方案

3 结论

1) 通过对既有农村建筑的调研分析,建立了3种农村建筑典型模型,通过对建筑综合热负荷进行分析,针对农村建筑屋面、外墙、门窗结构及气密性提出了改造方案,结合既有农村建筑能效提升实施过程中形成的经验做法、存在的主要问题、可推广性和经济性等因素,优选确定了5种适宜河南省既有农村建筑能效提升技术方案,可用于节能改造。

2) 对河南省典型既有1层农村建筑平屋面或坡屋面结构进行改造时添加50 mm厚的保温层,改造效果好、难度低;当屋面结构不便改动时,对北面和两侧山墙进行改造,其能耗提升效果次之。

3) 要根据不同类型的农村建筑进行节能改造调整,河南省2层既有建筑对外墙的改造效果优于对屋面的;对外墙进行保温处理时,优先对屋面和北墙组合进行处理,保温效果好;同时兼具门窗节能改造和清洁能源使用,可达到更好的节能效果。

4) 对坐北朝南的既有农村建筑进行墙体保温改造时,北面外墙的保温改造效果明显高于其他墙面,这与背阳面接受日照少有关系,因此墙体改造可选择一面或多面,仅做一面墙体时建议做北面墙体。

5) 对于同一类型的典型既有农村建筑,仅对屋面进行节能改造的投资最低,调整外窗保温结构的投资最高,对外墙添加保温层的投资居中。

6) 本文提出的改造方案主要针对河南省既有农村建筑,其产生的投资费用具有一定的代表性,可作为参考。实际建筑情况复杂多样,同时还要考虑既有建筑是否需要重新作屋面防水,因此需结合现场项目具体情况进行计算。